Jato-Propulsão - Jet propulsion
A propulsão a jato é a propulsão de um objeto em uma direção, produzida pela ejeção de um jato de fluido na direção oposta. Pela terceira lei de Newton , o corpo em movimento é impulsionado na direção oposta ao jato. Os motores de reação que operam no princípio da propulsão a jato incluem o motor a jato usado para propulsão de aeronaves , a bomba a jato usada para propulsão marítima e o motor de foguete e propulsor de plasma usados para propulsão de espaçonaves . Os sistemas biológicos incluem os mecanismos de propulsão de certosanimais marinhos , como cefalópodes , lebres marinhas , artrópodes e peixes .
Física
A propulsão a jato é produzida por alguns motores de reação ou animais quando o impulso é gerado por um jato de fluido em movimento rápido , de acordo com as leis de movimento de Newton . É mais eficaz quando o número de Reynolds é alto - ou seja, o objeto que está sendo impulsionado é relativamente grande e passa por um meio de baixa viscosidade.
Em animais, os jatos mais eficientes são pulsados, em vez de contínuos, pelo menos quando o número de Reynolds é maior que 6.
Impulso específico
O impulso específico (geralmente abreviado como I sp ) é uma medida de quão efetivamente um foguete usa propelente ou um motor a jato usa combustível. Por definição, é o impulso total (ou mudança no momento ) entregue por unidade de propelente consumido e é dimensionalmente equivalente ao empuxo gerado dividido pela taxa de fluxo de massa do propelente ou taxa de fluxo de peso. Se a massa ( quilograma , libra-massa ou lesma ) for usada como unidade de propelente, o impulso específico terá unidades de velocidade . Se o peso ( newton ou libra-força ) for usado, o impulso específico terá unidades de tempo (segundos). Multiplicando a taxa de fluxo pela gravidade padrão ( g 0 ) converte o impulso específico da base de massa para a base de peso.
Um sistema de propulsão com um impulso específico mais alto usa a massa do propelente de forma mais eficaz na criação de impulso para frente e, no caso de um foguete, menos propulsor necessário para um determinado delta-v , de acordo com a equação do foguete de Tsiolkovsky . Em foguetes, isso significa que o motor é mais eficaz no ganho de altitude, distância e velocidade. Esta eficácia é menos importante em motores a jato que empregam asas e usam ar externo para combustão e carregam cargas úteis que são muito mais pesadas do que o propelente.
O impulso específico inclui a contribuição para o impulso fornecido pelo ar externo que foi usado para a combustão e se esgota com o propelente gasto. Os motores a jato usam o ar externo e, portanto, têm um impulso específico muito maior do que os motores de foguete. O impulso específico em termos de massa de propelente gasta tem unidades de distância por tempo, que é uma velocidade artificial chamada "velocidade de exaustão efetiva". Isso é maior do que a velocidade real de exaustão porque a massa do ar de combustão não está sendo contabilizada. A velocidade de escape real e efetiva é a mesma em motores de foguete que não utilizam ar.
O impulso específico é inversamente proporcional ao consumo específico de combustível (SFC) pela relação I sp = 1 / ( g o · SFC) para SFC em kg / (N · s) e I sp = 3600 / SFC para SFC em lb / (lbf · Hr).
Impulso
A partir da definição de impulso de impulso específico em unidades SI é:
onde V e é a velocidade efetiva de exaustão e é a taxa de fluxo do propelente.
Tipos de motor de reação
Os motores de reação produzem empuxo expelindo massa de reação sólida ou fluida ; a propulsão a jato aplica-se apenas a motores que usam massa de reação de fluido.
Motor a jato
Um motor a jato é um motor de reação que usa o ar ambiente como fluido de trabalho e o converte em um gás quente de alta pressão que é expandido por meio de um ou mais bicos . Dois tipos de motor a jato, o turbojato e o turbofan , empregam compressores centrífugos ou de fluxo axial para aumentar a pressão antes da combustão e turbinas para impulsionar a compressão. Os Ramjets operam apenas em altas velocidades de vôo porque omitem os compressores e turbinas, dependendo da pressão dinâmica gerada pela alta velocidade (conhecida como compressão ram). Os jatos de pulso também omitem os compressores e turbinas, mas podem gerar empuxo estático e limitar a velocidade máxima.
Motor de foguete
O foguete é capaz de operar no vácuo do espaço , pois depende do veículo transportar seu próprio oxidante em vez de usar o oxigênio do ar ou, no caso de um foguete nuclear , aquece um propelente inerte (como o hidrogênio líquido ), forçando-o a passar por um reator nuclear .
Motor de plasma
Os propulsores de plasma aceleram um plasma por meios eletromagnéticos .
Bomba a jato
A bomba a jato, usada para propulsão marítima , usa água como fluido de trabalho, pressurizada por uma hélice canalizada , bomba centrífuga ou uma combinação das duas.
Animais propelidos a jato
Os cefalópodes , como as lulas, usam propulsão a jato para escapar rapidamente dos predadores ; eles usam outros mecanismos para natação lenta. O jato é produzido pela ejeção de água através de um sifão , que normalmente se estreita para uma pequena abertura para produzir a velocidade de exalação máxima. A água passa pelas guelras antes da expiração, cumprindo o duplo propósito de respiração e locomoção. Lebres marinhas (moluscos gastrópodes) empregam um método semelhante, mas sem o maquinário neurológico sofisticado dos cefalópodes, elas navegam um pouco mais desajeitadamente.
Alguns peixes teleósteos também desenvolveram propulsão a jato, passando água pelas guelras para complementar o movimento impulsionado pelas nadadeiras.
Em algumas larvas de libélula , a propulsão a jato é obtida pela expulsão de água de uma cavidade especializada através do ânus. Dado o pequeno tamanho do organismo, consegue-se uma grande velocidade.
Vieiras e cardiídeos , sifonóforos , tunicados (como salpas ) e algumas águas-vivas também empregam propulsão a jato. Os organismos propelidos a jato mais eficientes são os salps, que usam uma ordem de magnitude menos energia (por quilograma por metro) do que as lulas.